“雙碳”背景下儲能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀分析

◎王冬梅 車一鳴 宋慧欣

引言

我國作為一個負責任的大國，為應(yīng)對全球氣候變化，提出了“碳達峰、碳中和”目標，即我國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和?！?060目標”的提出開啟了低碳新時代，各行業(yè)都面臨著低碳化轉(zhuǎn)型。

為實現(xiàn)雙碳目標，能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍，電力行業(yè)作為碳排放重點行業(yè)，積極應(yīng)對，提出未來要構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)，未來電力能源結(jié)構(gòu)中，太陽能和風能將成為主流，到2030年我國風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上?？紤]新能源發(fā)電的隨機性、波動性和間歇性問題，新能源大量接入電力系統(tǒng)后，增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的負擔，必須要大力提升電力系統(tǒng)的削峰填谷能力，同調(diào)峰氣電建設(shè)、煤電機組靈活性改造等手段相比，儲能技術(shù)多樣化，發(fā)展迅猛，具有更廣泛的應(yīng)用前景[1]，所以新型儲能系統(tǒng)將在實現(xiàn)碳達峰、碳中和過程中扮演重要角色。我國發(fā)電裝機近23億千瓦，現(xiàn)在整個儲能規(guī)模是遠遠不夠的，所以要加快儲能系統(tǒng)的建設(shè)步伐，2022年全國能源工作會議在部署2022年工作任務(wù)時提出：要加強抽水蓄能等調(diào)峰電站建設(shè)，推動新型儲能規(guī)?；袌龌l(fā)展，探索氫能、綜合智慧能源服務(wù)發(fā)展新模式。

一、儲能技術(shù)的類型及特點

儲能技術(shù)是通過裝置或物理介質(zhì)將能量存儲起來，以便以后需要時利用的技術(shù)。通俗來講，儲能系統(tǒng)就類似于一個巨型“充電寶”，在用電低谷時，它可以把電站多發(fā)的電存起來，等到用電高峰時再釋放出來，從而起到削峰填谷，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。儲能技術(shù)按照存儲介質(zhì)不同的分類情況如下表所示：

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1.機械類儲能。

抽水蓄能是利用水作為儲能介質(zhì)，通過電能與勢能相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電能的儲存和管理，電力負荷低谷時，利用電能抽水至上水庫，電力負荷高峰時，再放水至下水庫發(fā)電，從而實現(xiàn)將電網(wǎng)負荷低時的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時期的高價值電能。飛輪儲能通過轉(zhuǎn)子的加速和減速，實現(xiàn)電能的存入和釋放（負荷低谷時加速，負荷高峰時減速），其壽命長、效率高，但能量密度低，目前多用于工業(yè)和UPS中。壓縮空氣儲能是利用過剩電力將空氣壓縮并儲存在一個地下的結(jié)構(gòu)（如地下洞穴），當需要時再將壓縮空氣與天然氣混合，燃燒膨脹以推動燃氣輪機發(fā)電。

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2.電化學(xué)類儲能。

電化學(xué)儲能主要包括各種電池，如表1所示，這些電池多數(shù)技術(shù)上比較成熟，近年來成為關(guān)注的重點，也獲得了許多實際應(yīng)用。幾種電池的特點及應(yīng)用情況如表3所示。

3.其他儲能。

電氣類儲能包括超級電容器儲能和超導(dǎo)儲能等，這種儲能形式響應(yīng)速度快，效率高，但價格相對較高，能量密度低，持續(xù)放電時間段，在電網(wǎng)中應(yīng)用較少。

熱儲能儲存的熱量可以很大，所以在可再生能源發(fā)電的利用上會有一定的作用。熔融鹽常常作為一種相變材料，用于集熱式太陽能熱發(fā)電站中。此外，還有許多其他種類的儲熱技術(shù)正在開發(fā)中。

氫儲能是近幾年受德國等歐洲國家氫能綜合利用后提出的相對較新的概念。氫儲能是將電能轉(zhuǎn)化為高能量密度的燃料氣體的技術(shù)，基本原理是將水電解得到氫氣和氧氣，以風電為例，當風電充足卻無法上網(wǎng)時，可利用風電將水電解制成氫氣，將氫氣儲存起來；當需要電能時，將儲存的氫氣通過不同方式（內(nèi)燃機、燃料電池等）轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。氫儲能系統(tǒng)主要包括三個部分：制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、氫發(fā)電系統(tǒng)，氫儲能技術(shù)在實際應(yīng)用中，制取、存儲、運輸、終端使用等環(huán)節(jié)都必不可少。

二、儲能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

我國儲能產(chǎn)業(yè)起步較晚，但近幾年發(fā)展迅速。我國對儲能產(chǎn)業(yè)的重點關(guān)注可追溯到2005年出臺的《可再生能源發(fā)展指導(dǎo)目錄》，液流儲能電池和地下熱能儲存系統(tǒng)位列其中；2010年儲能行業(yè)發(fā)展首次被寫進法案-《可再生能源法修正案》，其中提到“電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)發(fā)展和應(yīng)用智能電網(wǎng)、儲能技術(shù)”；2011年，儲能被寫入“十二五”規(guī)劃綱要；2017年10月11日，我國大規(guī)模儲能技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的首個指導(dǎo)性政策《關(guān)于促進儲能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》正式發(fā)布，明確了我國“十三五”和“十四五”期間儲能領(lǐng)域的重點任務(wù)，確定了總體思路和保障措施，我國儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入了快車道。2015-2020年，我國儲能項目累計裝機規(guī)模從23.2GW增長至35.6GW，增長速度令人側(cè)目，截至2020年底，我國已投運儲能項目累計裝機規(guī)模35.6GW，同比增長9.8%，裝機規(guī)模占全球的18.6%，其中抽水蓄能累計裝機占比最大，為89.30%，其次為電化學(xué)儲能，累計裝機規(guī)模3.28GW，占比9.2%。2021年7月23日，中央發(fā)布《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，之后各項儲能利好政策密集發(fā)布，國內(nèi)外大規(guī)模儲能項目陸續(xù)啟動，越來越多的企業(yè)投身儲能，或擴產(chǎn)或跨界合作，儲能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的良好局面，正式邁向了高速發(fā)展的新時期。

1.抽水蓄能發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀。

抽水蓄能屬于大規(guī)模、集中式能量儲存，其兼具技術(shù)成熟、規(guī)模大、壽命長、造價低等優(yōu)勢，目前在各種儲能方式中，抽水蓄能仍占主體地位，我國于2021年9月發(fā)布了《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》，指出到2025年，抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模6200萬千瓦以上；到2030年，投產(chǎn)總規(guī)模1.2億千瓦左右；中長期規(guī)劃儲備項目247個，總裝機規(guī)模約3.05億千瓦。作為“十四五”開局之年，2021年抽水蓄能行業(yè)迎來了“大爆發(fā)”，創(chuàng)造了多項“世界之最”，最受矚目的當屬北京冬奧配套綠色能源重點工程、世界最大抽水蓄能電站、能源領(lǐng)域之“大國重器”——河北豐寧抽水蓄能電站，總裝機360萬千瓦，這一世界最大“充電寶”全部機組投產(chǎn)后，可提供720萬千瓦電力調(diào)節(jié)能力。

據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021年至今，已簽約計劃新建的抽水蓄能電站數(shù)量近百座，超過1億千瓦抽水蓄能項目取得了重要進展，從投資方來看，除兩大電網(wǎng)、五大發(fā)電集團外，三峽集團以及其他能源電力集團、地方國有企業(yè)等，陸續(xù)加入到抽水蓄能產(chǎn)業(yè)投資建設(shè)的隊伍中來；各個省份挖掘自身優(yōu)勢，積極簽約抽水蓄能項目，既能助力實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、推動清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時也能促進水資源綜合利用，帶動當?shù)芈糜蔚认嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中，抽水蓄能的存在，已然成為電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型的強心劑，作為優(yōu)化電力資源配置，服務(wù)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的“一招好棋”，抽水蓄能無論是在投產(chǎn)規(guī)模還是在裝機容量上，未來都有巨大的發(fā)展空間。

2.電化學(xué)儲能發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀。

目前我國儲能仍然以抽水蓄能為主，電化學(xué)儲能發(fā)展勢頭良好。截至2020年，我國電化學(xué)儲能裝機量占比為9.2%，累計裝機規(guī)模為3.28GW，在各類電化學(xué)儲能技術(shù)中，鋰離子電池累計裝機規(guī)模為2.90GW，占比約89%，其中再以磷酸鐵鋰電池為最主流的鋰離子電池形式，《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提及，到2025年中國電化學(xué)儲能達到累計30GW。目前，中國、美國和歐洲占據(jù)了全球電化學(xué)儲能市場的主導(dǎo)地位，2020年三國新增投運裝機量占全球電化學(xué)新增投運總規(guī)模的86%。

鋰電池儲能在循環(huán)次數(shù)、能量密度、響應(yīng)速度等方面均具有較大的優(yōu)勢，目前限制其在儲能領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用的主要因素之一就是成本問題。我們可以做個比較，目前，抽水蓄能度電成本約為0.21-0.25元，磷酸鐵鋰電池度電成本約為0.5-0.9元，是抽水蓄能的2-4倍，低成本、大容量使得抽水蓄能成為當前的主要儲能方式。另外，從技術(shù)角度分析，電化學(xué)儲能放電時間并不具備優(yōu)勢，遠不如當下已經(jīng)十分成熟的抽水蓄能，目前，全球都在加大對于“長期儲能方式”的研發(fā)，有觀點認為，目前4小時的儲能時長遠遠不能滿足需求，持續(xù)放電時間長達24小時以上的儲能系統(tǒng)才是真正意義上的長期儲能。由此來看，現(xiàn)階段電化學(xué)儲能要想辦法降低成本，延長儲能時間，推動儲能產(chǎn)業(yè)進一步擴大。

2022年2月23日，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》中要求，到2025年，電化學(xué)儲能系統(tǒng)成本降低30%以上。據(jù)研究機構(gòu)測算，當前鋰電四大關(guān)鍵材料產(chǎn)量增長迅猛，增幅將近100%，相關(guān)成本有望降價，所以中國作為全球鋰電池行業(yè)規(guī)模最大、成本下降最快的國家，這一目標定能如期實現(xiàn)。另外，除短時高頻儲能以外，《方案》還要求推動中長時間儲能的建設(shè)，液流電池儲能技術(shù)位列其中。

3.氫儲能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀。

氫儲能技術(shù)被認為是新能源發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的重要支撐，并日趨成為多個國家能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點。在氫儲能領(lǐng)域，歐、美、日等國起步較早，走在世界前列，我國在“十二五”以前沒有對氫儲能立項，支持項目都是以制氫、發(fā)電、儲氫等過程單獨資助的，“十三五”期間氫儲能概念列入國家電網(wǎng)公司規(guī)劃，并開展了氫儲能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應(yīng)用前期研究，積極建設(shè)氫儲能系統(tǒng)實驗研究平臺，突破波動性新能源電解制氫技術(shù)的適應(yīng)性問題，具備氫儲能系統(tǒng)效率測試能力，為日后大規(guī)?？稍偕茉粗茪涞年P(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。雖然在我國氫儲能作為一種新型儲能，目前尚未形成行業(yè)規(guī)范，但也已經(jīng)出現(xiàn)了一批示范項目，如表4所示。其中張家口200MW/800MWh氫儲能發(fā)電工程，是目前全球最大的氫儲能發(fā)電項目，項目涉及了再生能源發(fā)電及削峰電能進行電解水制氫技術(shù)、金屬固態(tài)儲氫技術(shù)和燃料電池發(fā)電技術(shù)等國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)，標志著我國氫能在大規(guī)模儲能調(diào)峰應(yīng)用場景邁出實質(zhì)性一步。

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2022年2月發(fā)布的《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》將氫儲能列入“十四五”新型儲能核心技術(shù)裝備攻關(guān)重點方向、“十四五”新型儲能標準體系重點方向以及“十四五”新型儲能技術(shù)試點示范。開展依托可再生能源制氫（氨）的氧（氨）儲能等試點示范，將探索風光氫儲等源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補的儲能發(fā)展模式列入“十四五”新型儲能區(qū)域示范。未來氫儲能將通過示范項目的推廣以及研究的深入，在規(guī)?；瘧?yīng)用方面持續(xù)推進。

當前來看，我國氫儲能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還受到技術(shù)、成本等方面的制約。對于技術(shù)需要克服的主要是氫電轉(zhuǎn)化中的能量損耗問題，在綠電轉(zhuǎn)化為氫，再由氫轉(zhuǎn)為電的過程，有近50%-70%的能量損失，導(dǎo)致這種轉(zhuǎn)換很不經(jīng)濟，所以高效的電解水制氫技術(shù)、大規(guī)模低成本的氫氣運儲技術(shù)、燃料電池技術(shù)等都亟需解決。對于成本，若從長遠來看，考慮規(guī)模儲能和長時儲能的需求，與電化學(xué)儲能相比，大規(guī)模氫儲能邊際成本增速相對較慢，是更具經(jīng)濟性的長周期調(diào)峰技術(shù)。

三、結(jié)語

我國“雙碳”戰(zhàn)略的實施，大幅促進了儲能產(chǎn)業(yè)和儲能技術(shù)的發(fā)展，近兩年，儲能相關(guān)支持政策不斷出臺，儲能裝機大幅增加，抽水蓄能、鋰離子電池、氫儲能、壓縮空氣、液流電池等多種儲能技術(shù)取得了關(guān)鍵突破，總體上中國儲能的整體發(fā)展遠超出了業(yè)界預(yù)期。

儲能技術(shù)形態(tài)多樣，從成本、使用便利性和已使用規(guī)模綜合來看，抽水蓄能和電化學(xué)儲能將在未來很長一段時間內(nèi)繼續(xù)占據(jù)主流儲能技術(shù)的地位。氫能作為化學(xué)儲能的前瞻技術(shù)，備受關(guān)注，隨著相關(guān)政策密集出臺，氫儲能技術(shù)快速發(fā)展，有望在不遠的未來媲美抽水蓄能，成為下一輪能源革命的主角。